(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210871043.1 (22)申请日 2022.07.22 (71)申请人 广东工业大 学 地址 510090 广东省广州市越秀区东 风东 路729号 (72)发明人 谢小柱　欧德亿　肖金承　任庆磊　 胡伟　 (74)专利代理 机构 广州粤高专利商标代理有限 公司 44102 专利代理师 黄钰褀 (51)Int.Cl. B23K 26/50(2014.01) B23K 26/53(2014.01) B23K 26/70(2014.01) (54)发明名称 一种激光剥离晶锭实时监测系统及方法 (57)摘要 本发明公开一种激光剥离晶锭实时监测系 统及方法， 先通过CCD成像系统进行定焦， 然后设 置好声发射传感器和激光器， 以保证激光光斑对 准晶锭样件需要加工的位置， 之后设置多种不同 的激光单脉冲能量分别对样品的多个不同区域 进行激光面扫描加工， 以使声发射传感器得到相 应的特征参数图在计算机中进行显示， 然后对加 工完的样品进行裂片处理， 得到多种能量对应的 截面形貌， 并对每一种能量的截面形貌进行分析 裂纹情况， 结合截面形貌的分析， 得到截面形貌 与特征参数图之间的关联， 发现了声发射信号的 分布特点可对激光剥离的加工过程进行实时监 测和对内部加工进行预判。 本发 明解决了现有技 术不具备系统性实时监测的难题。 权利要求书3页 说明书8页 附图5页 CN 115055846 A 2022.09.16 CN 115055846 A 1.一种激光剥离晶锭实时监测系 统， 其特征在于， 包括激光器(1)、 光阑(2)、 第一反射 镜(3)、 衰减器(4)、 第 二反射镜(5)、 第三反射镜(6)、 物镜(7)、 X ‑Y‑Z三维移动平台(9)、 CCD 成像系统(10)、 声发射传感器(1 1)、 前置放大器(12)、 数据采集 卡(13)、 计算机(14)； 所述激光器(1)与计算机(14)进行连接， 且射出的激光依次通过所述光阑(2)、 第一反 射镜(3)、 衰减器(4)、 第二反射镜(5)、 第三反射镜(6)、 物镜(7)到达放置在所述X ‑Y‑Z三维 移动平台(9)上的晶锭样件(8)的上表面， 所述CCD成像系统(10)的照明光通过所述第三反 射镜(6)、 物镜(7)对所述X ‑Y‑Z三维移动(9)上的晶锭样件(8)进行照明定焦， 用以辅助所述 激光器(1)的光斑对准， 所述声发射传感器(11)依次通过所述前置放大器(12)、 数据采集卡 (13)与所述计算机(14)相连， 所述声发射传感器(11)用于放置在晶锭样件(8)上获取声发 射信号并传输给 所述计算机(14)。 2.一种激光剥离晶锭实时监测方法， 其特征在于， 包括权利要求1所述的激光剥离晶锭 实时监测系统， 通过激光剥离晶锭实时监测系统进行监测的步骤如下： S1： 将晶锭样件(8)放置并固定在X ‑Y‑Z三维移动平台(9)上， 并使CCD成像系统(10)的 照明焦点对准晶锭样件(8)的上表面； S2： 将声发射传感器(11)涂上耦合剂后放置在晶锭样件(8)上表面距离待加工区域的 4‑8mm处； S3： 通过计算机(14)对激光器(1)的加工参数进行设置； S4： 启动激光器(1)， 其射出的光斑依据CCD成像系统(10)的照明焦点进行对焦， 以使光 斑聚焦在晶锭样件(8)内部的待加工区域； S5： 设置多种不同的激光单脉冲能量， 其他激光加工参数保持不变， 用上述多种不同的 能量分别对晶锭样件(8)内部的多个不同位置进行激光面扫描加工； 同时利用声发射传感 器(11)同步采集声发射信号并上传到计算机(14)进行处理分析， 得到平均频率 ‑幅值关联 图和计数 ‑持续时间关联图； S6： 激光加工完毕后对晶锭样件(8)进行裂片处理， 得到每种激光单脉冲能量进行内部 改质加工后对应的截面形貌； S7： 根据每种激光单 脉冲能量对应的截面形貌进行裂纹分析； S8： 将每种激光单脉冲能量的裂纹分析情况分别与相对应的平均频率 ‑幅值关联图、 计 数‑持续时间关联图进行 联合观察， 得到截面形貌与特 征参数图之间的关联； S9： 通过步骤S8中平均频率 ‑幅值关联图、 计数 ‑持续时间关联图与截面形貌的关联及 对应的剥离效果， 用以对晶锭的激光剥离过程进行实时监测以及对内部加工结构进行预 判。 3.根据权利要求2所述的一种激光剥离晶锭实时监测方法， 其特征在于， 步骤S5中， 设 置的三种不同的激光单 脉冲能量分别为6.9 μJ、 1 1.6 μJ和16.2 μJ； 且三种不同的能量对晶锭样件(8)内部的不同位置进行三次激光面扫描加工的过程如 下： 在上一个面结构加工 完成之后距离加工区域移动0.3m m进行下一个面结构的加工 。 4.根据权利要求3所述的一种激光剥离晶锭实时监测方法， 其特征在于， 步骤S7中， 根 据截面形貌进行裂纹分析的过程如下； 根据脉冲能量6.9 μJ对应的第一截面形貌， 观察到晶锭样件(8)仅在最上层爆点之间形权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115055846 A 2成横向拓展裂纹， 且裂纹搭接 完整， 这对于需要沿着 横向裂纹上 下的剥离是有益的； 根据脉冲能量11.6μJ对应的第二截面形貌， 观察到晶锭样件(8)除了最上层爆点之间 形成横向拓展裂纹之外， 下 方的爆点之间也存在横向裂纹， 且横向爆点的裂纹搭接不完整； 根据脉冲能量16.2μJ对应的第三截面形貌， 观察到晶锭样件(8)的截面形成了双层的 横向裂纹； 由于第二、 第三截面形貌的横向裂纹面不均匀， 会造成剥离时的剥离力不均匀以及剥 离后的剥离面平整度降低， 所以对于 激光剥离的效果是不利的。 5.根据权利要求4所述的一种激光剥离晶锭实时监测方法， 其特征在于， 步骤S8中， 获 得截面形貌与特 征参数图之间的关联的过程如下： 当激光单脉冲能量为6.9 μJ时， 激光 内部改质结构对剥离有利， 与之相对应的声发射信 号特征中， 平均频率 ‑幅值关联图表现为纵向的散点分布， 计数 ‑持续时间关联图则表现为 沿着线性的散点分布， 其 持续时间分布在250 μs以下， 此时的声发射信号的分布特点可作为 有利于激光剥离的加工判断； 当激光单脉冲能量为11.6μJ时， 激光内部改质结构对剥离不利， 与之相对应的声发射 信号特征中， 平均频率 ‑幅值关联图表现为纵向的密集点分布， 计数 ‑持续时间关联图则表 现为沿着线性的密集点分布， 其 持续时间分布在350 μs以下， 此时的声发射信号的分布特点 可作为不利于激光剥离的加工判断； 当激光单脉冲能量为16.2μJ时， 激光内部改质结构对剥离不利， 与之相对应的声发射 信号特征中， 平均频率 ‑幅值关联图表现为横向的密集点分布， 计数 ‑持续时间关联图则表 现为持续时间分布在550μs以下的线性密集点分布， 此时的声发射信号的分布特点可作为 不利于激光剥离的加工判断。 6.根据权利要求2所述的一种激光剥离晶锭实时监测方法， 其特征在于， 步骤S4中， 当 CCD成像系统(10)的照明焦点位于晶锭样件(8)的上表 面后， 通过X ‑Y‑Z三维移动平台(9)在 Z轴方向上移100 μm使得激光器(1)的光斑聚焦在晶锭样件(8)内部， 由于晶锭样件(8)的自 聚焦效应， 光斑实际聚焦位置不与X ‑Y‑Z三维移动平 台(9)的上移距离重合， 则此时光斑实 际聚焦在晶锭样件(8)内部的3 30 μm深度处。 7.根据权利要求2所述的一种激光剥离晶锭实时监测方法， 其特征在于， 步骤S1中， 启 动CCD成像系统(10)， 使其自带的照明光依次经第三反射镜(6)、 物镜(7)的折射到达晶锭样 件(8)的上表面， 并调节X ‑Y‑Z三维移动平台(9)的位置使CCD成像系统(10)的视野画面能清 晰观察到样件的上表面。 8.根据权利要求2所述的一种激光剥离晶锭实时监测方法， 其特征在于， 步骤S2中， 使 用胶带或夹具使声发射传感器(11)的位置固定， 并对声发射传感器(11)设置好信号采集的 通道参数， 通道参数设置为： 信号增益40dB， 采集门槛35dB， 采样率5MHz， 采样长度4k， 根据晶锭样件的材料特性， 声 发射定时参数采用非金属材料的推荐值， 峰值定义时间50 μs、 撞击定义时间200 μs以及撞击 闭锁时间3 00 μs。 9.根据权利要求2所述的一种激光剥离晶锭实时监测方法， 其特征在于， 步骤S3中， 激 光器(1)为红外超快激光器， 其加工参数设置为： 发射激光波长为1030nm， 脉冲 宽度290fs ‑15ps， 激光频率范围为0.1 ‑610kHz， 激光经物权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115055846 A 3